O2.pdf

Uniwersytet Medyczny

Wydział wojskowo – lekarski

Zakład fizjologii człowieka i biofizyki

Laboratorium z biofizyki

Ćwiczenie O2 Badanie dyfrakcji światła laserowego.

Grupa II

Zespół Z7

Michał Głowacki

1 Przygotowno http://wojsk-lek.org

Część teoretyczna:

1. Fale elektromagnetyczne – przegląd widma

2. Promieniowanie niejonizujące rodzaje promieniowania i kryteria podziału

3. Światło laserowe – cechy charakterystyczne

4. Zasada działania lasera

Laser jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego. Od klasycznego źródła

światła różni się on zasadą działania i wynikającymi z niej właściwościami emitowanego

promieniowania.

Nazwa LASER jest akronimem zdania w języku angielskim: L ight A mplification by

S timulation E mision of R adiation , czyli wzmocnienie światła wskutek zjawiska emisji

wymuszonej. Emisja wymuszona jest jednym z trzech procesów oddziaływania światła z

materią, w wyniku których zmienia się stan kwantowy atomu, jonu czy cząsteczki. Dwa

pozostałe procesy to absorpcja i emisja spontaniczna. Wszystkie te procesy są schematycznie

przedstawione na rys. 1.

Rys.1 Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią, reprezentowaną

przez atom dwupoziomowy: a) absorpcja promieniowania, b) emisja spontaniczna i c)

emisja wymuszona.

W wyniku absorpcji fotonu (rys.1a) o częstości ν spełniającej równanie

2 , (1)

w którym E 2 oznacza energię stanu wzbudzonego atomu, E 1 – energię jego stanu

podstawowego, a h – stałą Plancka, atom przechodzi ze stanu podstawowego do stanu

wzbudzonego. W procesie emisji spontanicznej (rys.1b) atom emituje foton o częstości ν

spełniającej równanie (1) i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. W

procesie emisji wymuszonej (rys.1c) foton o częstości ν spełniającej równanie (1) nie ulega

absorpcji (atom już jest w stanie wzbudzonym), lecz wymusza emisję fotonu. Wymuszony

foton jest spójny z fotonem wymuszającym. Oznacza to, że mają one tę samą częstość, fazę i

kierunek rozchodzenia się. W wyniku emisji wymuszonej atom przechodzi do stanu

podstawowego.

Laser składa się z trzech zasadniczych elementów, którymi są:

1) 1) Ośrodek aktywny, czyli zespół atomów, jonów czy cząsteczek.

2) 2) Rezonator, czyli układ optyczny, który sprzęga promieniowanie

charakterystyczne dla danego ośrodka z tym ośrodkiem. W najprostszym przypadku

rezonator stanowią 2 płaskie, doskonale odbijające zwierciadła, które są ustawione

EE =

n h

2 Przygotowno http://wojsk-lek.org

L = , ( n jest liczbą całkowitą, λ

jest długością fali światła laserowego) umożliwiającej powstanie w nim fal

stojących. Częstości tych fal są częstościami modów podłużnych lasera. Liczba

D linii widmowej, dla której

zachodzi przejście laserowe w ośrodku aktywnym. Odległość w skali częstości

między sąsiednimi modami wynosi L

D n , gdzie c jest prędkością światła w

próżni. Zatem wzmocnieniu mogą ulec tylko te mody (drgania o określonej

częstości), które mieszczą się w profilu linii emisyjnej – jest ich tyle, ile wynika z

c 2

D .

3) 3) Układ pompujący, czyli układ, który wytwarza inwersję obsadzeń między

stanami zaangażowanymi w przejście laserowe. Inwersja obsadzeń tych stanów jest

warunkiem koniecznym do uzyskania wzmocnienia promieniowania.

Budowa lasera helowo-neonowego

W laserze He-Ne ośrodkiem aktywnym jest neon, który wraz z helem znajduje się w

szklanej rurze z elektrodami. Całkowite ciśnienie gazu w rurze wynosi 1 Torr. Proporcje helu

do neonu są jak 10:1. Rura z dwóch stron jest zakończona tak zwanymi okienkami Brewstera

(rys.2). Są to szklane okienka nachylone pod kątem Brewstera do osi rury, co pozwala

zminimalizować straty światła wskutek odbicia, a ponadto opuszczająca laser wiązka światła

jest spolaryzowana liniowo.

Emitowane z katody elektrony są przyspieszane na drodze do anody przez różnicę

potencjałów, jaka panuje między tymi elektrodami. W niesprężystych zderzeniach z atomami

elektrony oddają im taką część swojej energii kinetycznej, która jest wystarczająca, by

wzbudzić atomy do wyższych stanów energetycznych. W ten sposób atomy helu zostają

wzbudzone do stanów metatrwałych 2 3 S i 2 1 S, z których promienisty powrót do stanu

podstawowego jest wzbroniony przez reguły wyboru.

Rys.2 Budowa typowego lasera helowo-neonowego

Elektrony zderzają się także z atomami neonu, wzbudzając je do stanów, z których

przejścia do niższych stanów energetycznych nie są wzbronione. Dlatego sposób uzyskania

inwersji obsadzeń na tej drodze nie jest skuteczny. Ponieważ helu jest 10 razy więcej od

neonu, więc zderzenia atomów helu z atomami neonu są bardzo prawdopodobne. Są to

3 Przygotowno http://wojsk-lek.org

idealnie równolegle do siebie w odległości

modów zależy od szerokości dopplerowskiej D

podzielenia D

zderzenia niesprężyste, w których atomy helu przekazują swoją energię wzbudzenia atomom

neonu i powracają do stanu podstawowego. Prawdopodobieństwo przekazu energii

wzbudzenia w tych zderzeniach jest bardzo duże, ponieważ energie zaangażowanych w tym

procesie poziomów energetycznych obu atomów bardzo mało się różnią. Dzięki temu atomy

neonu gromadzą się w górnych stanach wzbudzonych 3s i 2s (są to grupy stanów, których

liczba nie odpowiada temu, co pokazano na rys. 3). Powstaje inwersja obsadzeń. Jak to

pokazano na rys. 3 emisja z obsadzanych poziomów może zajść na trzech drogach, w wyniku

czego może być wysłane promieniowanie o długościach fali 3.39 μm, 1.152 μm i 632.8 nm.

Najczęściej stosowana metoda uzyskania wzmocnienia promieniowania o jednej z tych

długości fal polega na użyciu selektywnych zwierciadeł. Rezonator sprzęga promieniowanie z

ośrodkiem aktywnym. Jeżeli zdolność odbijająca zwierciadeł jest bliska 100% dla światła o

długości fali 632.8 nm, a dla promieniowania podczerwonego wynosi zaledwie kilkanaście %,

to laser emituje światło czerwone, a nie podczerwone. Odbijane przez zwierciadła fotony

wielokrotnie przebiegają przez ośrodek aktywny, wymuszając kolejne przejścia, przez co

zwiększają natężenie emitowanego promieniowania. Kiedy wzmocnienie przewyższa straty,

wtedy z jednej strony, przez zwierciadło o nieco mniejszej zdolności odbijającej, z lasera

wychodzi wąska wiązka światła spójnego. Polaryzacja tego światła jest narzucona przez

okienka Brewstera.

4 Przygotowno http://wojsk-lek.org

Rys. 3 Uproszczony schemat poziomów energetycznych atomów helu i neonu

5. Podstawowe typy laserów stosowanych w medycynie

6. Wpływ promieniowania laserowego na tkanki

Lasery są wykorzystywane w przemyśle i medycynie.

W medycynie stosuje się lasery:

wysokoenergetyczne,

niskoenergetyczne.

Lasery wysokoenergetyczne służą do destrukcji bądź usuwania tkanek. Mają średnią lub dużą

moc, bądź są to lasery impulsowe.

W okulistyce lasery są wykorzystywane do przecinania cyst powiek lub spojówek,

przecinania naczyń wrastających w rogówkę, perforacji cyst tęczówki, przecinania zrostów

tęczówkowo – rogówkowych, do zabiegów przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych, do

korekcji wad wzroku (astygmatyzmu, krótkowzroczności i dalekowzroczności) i do

witreotomii. Szczególnym wskazaniem do laserowej korekcji wady refrakcji jest duża wada

wzroku tylko w jednym oku. Najnowszą metodą korekcji wady refrakcji lub astygmatyzmu

jest LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis). Polega ona na użyciu lasera

ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25 μm odparowuje nierówności w

głębszych warstwach rogówki. Metoda ta koryguje wadę refrakcji w zakresie od +6 do –13

dioptrii.

5 Przygotowno http://wojsk-lek.org

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: